激光剝蝕系統是地球科學、材料科學等學科原位微區元素-同位素測試分析的基礎進樣設備，直接決定了分析測試的空間分辨率和測試精度。近日，廣州拓巖精密制造有限公司（以下簡稱廣州拓巖）技術團隊實現了激光光源、衰減器、振鏡等核心部件的國產化，成功研制出新一代國產高頻飛秒激光剝蝕系統——Geo Ablate 343。該設備搭載自主開發的“高頻飛秒激光采集和控制系統”，實現了從硬件到軟件的全流程自主可控。
新一代國產高頻飛秒激光剝蝕系統主機外觀圖。廣州拓巖供圖，下同
廣州拓巖技術總監初高彬介紹，近年來，隨著石英、螢石等難剝蝕礦物測試需求的日益增加，以及高純石英等戰略礦產資源開發的不斷深入，常用的193納米或213納米納秒激光剝蝕系統因其熱效應顯著、剝蝕精度瓶頸、運行成本偏高等痛點，難以滿足科研與產業的高端應用需求。飛秒激光剝蝕系統因其熱效應低，成為解決上述問題的最佳方案。然而，傳統飛秒激光剝蝕系統難以突破束斑較小、能量密度低且校準維護困難的技術瓶頸，且依賴進口設備及軟件伴隨著高昂的維護成本（數倍于國產設備）、操作復雜與算法受限等多重壁壘，導致我國在高純石英研究等戰略領域長期受制于人。
在此背景下，廣州拓巖于2024年成立技術團隊，探索新型國產飛秒激光剝蝕系統的光學方案和可行性。其中面臨的技術難題主要有兩點：當需要超過100微米直徑的大束斑時，即使使用市面上能量最高的激光器，其作用到樣品表面的平均能量密度仍無法達標；飛秒激光能量呈高斯分布，難以獲得平底剝蝕坑，且景深短，極易虛焦。
裝配車間產品和核心技術團隊合影。
為解決上述技術難題，技術團隊創造性地引進了法國波城大學研究團隊的高頻飛秒激光設計思路：采用高能量激光器與小束斑的設計組合，將有限能量集中于小束斑區域，提高單位面積在剝蝕過程中的能量密度；采用高頻振鏡和精密軟件控制，使小束斑在大區域以極高頻率巡回掃描，從而獲得平底剝蝕坑；采用3D可變焦技術，根據所剝蝕物質自定義控制變焦深度和速度，有效改善虛焦導致的信號下降速度快的問題。
技術路線成熟后，由廣州拓巖股東集資成立了廣州拓巖精密制造有限公司，專職執行國產配件篩選、硬件系統搭建、電子系統集成、軟件系統控制編寫，最終成功研制出Geo Ablate 343。該設備搭載自主開發的控制軟件，實現了從硬件到軟件的全流程自主可控。
Geo Ablate 343現場裝機實測。
廣州拓巖總經理楊毓波表示，Geo Ablate 343的核心競爭力在于其對傳統激光剝蝕系統技術原理的革命性創新。與市場上常用的激光剝蝕系統相比，該設備具備飛秒激光剝蝕的全部核心優勢。區別于傳統納秒激光“加熱-熔化-氣化”的熱剝蝕模式，該系統采用10-15秒級超短脈沖飛秒激光，通過“庫倫爆炸”實現真正意義上的冷剝蝕：激光能量在極短時間內聚焦于樣品微區，使物質瞬間電離并生成均勻氣溶膠，徹底消除熱效應導致的樣品熔融、元素分餾與基體干擾，為高精度分析提供了極致優化的采樣解決方案。其1-500微米連續可調的圓形、矩形甚至異形光斑剝蝕，配合平底坑剝蝕設計，搭配超高能量密度的激光光源和極簡光路設計，徹底解決了傳統飛秒激光剝蝕系統的弊端。憑借獨創的動態變焦技術及超小雙體積剝蝕池設計，有效改善了飛秒激光失焦快、背景清洗難的問題。
“目前，我國國內193納米納秒激光剝蝕系統保有量超過150臺，飛秒激光保有量超過30臺，且以每年約10臺的速度不斷增加。隨著高純石英、螢石等難剝蝕礦物測試需求逐步加大，更多納秒激光剝蝕系統用戶將轉向采購飛秒激光剝蝕系統。”楊毓波指出，高頻飛秒激光剝蝕系統的普及應用，不僅推動了分析檢測技術的革新，更為多學科交叉融合提供了關鍵裝備支撐。國產技術的崛起，不僅打破了技術壟斷，更彰顯了我國高端科學儀器研發的硬實力。